旋风分离器壁面磨损数值模拟研究

壁面磨损是制约旋风分离器发展的突出问题,基于计算流体力学方法研究入口速度和颗粒粒径对分离器壁面磨损及分离效率的影响。研究发现,环形空间壁面沿圆周方向的磨损速率分布规律不随入口速度变化而改变,180°至260°方位角区间磨损较严重;分离空间筒体壁面的磨损速率沿圆周方向呈现较均匀分布,锥体壁面的磨损速率随高度的减小而增大。不同单一粒径下环形空间壁面沿圆周方向磨损速率先增加后减小,且粒径较大时磨损峰值对应的方位角更小;分离空间壁面磨损速率在锥体下部达到磨损峰值,且在粒径大于30μm时会明显增加。当颗粒粒径处于8～30μm之间时,增大入口速度是提高分离器效率的有效方法;当颗粒粒径大于50μm时分离效率接近100%。     

90°方形弯管内颗粒冲蚀磨损研究

采用k-ε双方程湍流模型,同时考虑壁面粗糙度和颗粒旋转等因素的颗粒随机碰撞模型和颗粒脉动频谱随机轨道(FSRT)模型,对90°方形弯管在不同来流速度、不同粒径、不同挡板位置等多个工况下颗粒冲蚀磨损进行了数值模拟和计算分析,进一步了解了弯管内颗粒对壁面的冲蚀磨损特性,较为系统地预测了弯管内易磨损部位及磨损量,为管道防磨提供了可靠的数值依据和理论参考。     

90°方形弯管内颗粒冲蚀磨损研究

采用k-ε双方程湍流模型，同时考虑壁面粗糙度和颗粒旋转等因素的颗粒随机碰撞模型和颗粒脉动频谱随机轨道（FSRT）模型，对90°方形弯管在不同来流速度、不同粒径、不同挡板位置等多个工况下颗粒冲蚀磨损进行了数值模拟和计算分析，进一步了解了弯管内颗粒对壁面的冲蚀磨损特性，较为系统地预测了弯管内易磨损部位及磨损量，为管道防磨提供了可靠的数值依据和理论参考。     

K_2CO_3颗粒吸收CO_2反应机制模型

颗粒粒径对气固化学反应速率有着重要的影响,利用改造后的热重分析仪对K2CO3颗粒吸收CO2的化学反应机制进行分析,获得了不同粒径吸收剂转化率随反应时间的变化规律。采用缩核反应模型对K2CO3颗粒吸收CO2的化学反应过程进行研究,利用热重试验数据分别计算出产物层扩散系数和反应速率常数等关键参数,并建立了产物层扩散系数与固体转化率的关联式。研究结果表明,不同粒径的颗粒均存在由化学反应控制向内扩散控制转变的现象,颗粒粒径增大不利于气固化学反应的进行,同时产物层扩散系数随着转化率的增加而不断减小。所建立的颗粒反应机制模型计算结果与试验值吻合较好,揭示了一定粒径范围内K2CO3颗粒吸收CO2的反应机制,为开展反应器模型研究提供参考。     

双吸式离心泵叶轮泥沙磨损数值模拟

采用欧拉—拉格朗日多相流模型,对双吸式离心泵内的水流和泥沙颗粒运动进行了模拟,并采用离散相冲击磨损模型对不同泥沙浓度和粒径条件下的叶轮磨损进行了分析,分析结果表明：离散相冲击磨损模型可以准确预测叶轮的磨损位置和磨损强度;随着泥沙浓度的增加,叶片的磨损强度显著提高;叶片吸力面的磨损强度明显高于压力面,压力面的磨损位置集中在叶片的进口和出口处,吸力面的磨损位置则随着泥沙浓度的增加而改变;泥沙粒径是影响磨损强度的重要因素,随着粒径的减小,磨损强度显著降低。     

离心泵内固体颗粒运动规律的实验研究

工作在固液两相流条件下的水力机械部件普遍存在程度不一的磨损破坏,这种破坏主要是过流介质中固体颗粒对部件表面的冲蚀磨损的作用结果。本文应用高速摄影技术,全面追踪和研究了离心泵叶轮流道内固液两相流中固体颗粒的运动轨迹及规律、特别是固体颗粒与过流部件的瞬间撞击过程,系统研究了固体颗粒的粒径大小、密度、进口参数以及运行工况(流量和叶轮转速等)对颗粒运动轨迹的影响规律。固体颗粒对过流部件的冲击破坏作用主要发生在叶片工作面,质量较大的硬质颗粒主要对叶片头部区域产生高角度(60°~90°)的撞击,冲蚀破坏作用较大;质量较小的颗粒主要对叶片工作面的中后部区域产生低角度(20°~50°)的撞击,其破坏作用相对较弱。发生在这两个区域的撞击过程也存在很大的差异,颗粒撞击叶片头部后直接反射回来,与叶片中后部撞击后存在颗粒在壁面上的相对滑动过程。     

气固两相流横掠圆管传热的研究

本文根据气固两相流横掠圆管的传热机理，建立了能综合考虑颗粒运动轨迹、颗粒与壁面的碰撞频率、碰撞角度、颗粒在壁面停留时间、颗粒与壁面接触面积、固体颗粒浓度、颗粒粒度、圆管位置、烟气流速和温度等因素对气固两相流传热影响的两维数学模型。模型通过对流场和颗粒场的计算可较好地模拟气固两相流传热过程的复杂性和随机性，模型计算结果与实验相吻合。本模型可为工程应用提供较可靠的计算方法。     

高水头混流式水轮机转轮泥沙磨损特性模拟研究

泥沙磨损是导致混流式水轮机组失效的主要原因之一,特别在水头相对较高时,由于内部流速相对也较高,其磨损问题会更为严重。为研究混流式机组转轮磨损的形成机理,本文根据电站泥沙实测数据统计得到汛期的泥沙平均浓度和粒径,对高水头混流式水轮机在最优开度和小开度两种工况下的固液两相流特性进行数值计算,基于拉格朗日方法模拟颗粒的运动轨迹,选取Oka模型对转轮的磨损特性进行了预测。通过分析转轮内的流动特性、颗粒的运动轨迹和壁面冲击特性,对混流式机组转轮磨损形态的形成原因进行了探讨,并将计算结果与文献中的实际磨损情况进行对比分析。预测的结果表明：采用欧拉-拉格朗日方法可较好地对混流式水轮机转轮的主要磨损区域进行定性的预测;在小导叶开度的偏工况时,转轮内部的涡旋流特性会导致颗粒产生局部富集等现象,从而引起对应区域磨损速率的增加。     

粗糙壁面流道内颗粒趋壁沉积特性的数值研究

采用欧拉-拉格朗日方法分别对光滑壁面和布置有横肋粗糙元结构粗糙壁面流道内颗粒趋壁沉积特性进行了模拟。分析了气相速度变化范围在3~7m/s,颗粒粒径在3~40mm范围内的颗粒沉积速率和流道内不同位置的颗粒沉积率变化。结果表明,粗糙元的存在使得粗糙元位置处边界层厚度增加,漩涡捕捉卷吸作用增强;粗糙元结构迎风面是颗粒沉积的主要壁面,沉积率随气相速度的增大而减小,颗粒粒径的增大而增大;粗糙元底面间隙是颗粒沉积到次要壁面,底面间隙颗粒沉积率随气相速度的增大而减小,当颗粒粒径d_p达到10mm时,底面间隙沉积率达到最大值;粗糙元的存在使得颗粒的沉积速率增大,粗糙壁面、光滑壁面颗粒沉积速率均随驰豫时间的增加而增大。     

SCR催化剂的磨损试验与数值模拟研究

高灰型布置的SCR脱硝系统其催化剂运行环境恶劣,烟气流速、飞灰颗粒及其粒径大小等客观因素对催化剂均会造成磨损。为研究烟气流速、飞灰粒径、飞灰质量浓度以及烟气入射角等对催化剂磨损造成的影响,采用日趋成熟的CFD数值模拟软件对不同工况时的SCR脱硝催化剂磨损情况进行研究,并且通过自建的冷态试验台进行了验证。研究结果表明,脱硝催化剂的磨损与上述4种影响因素均有很大关系,其中飞灰质量浓度、烟气入射角的变化对催化剂的磨损率影响较大,因此在实际运行中应增设导流板,避免因入射角和飞灰质量浓度的不均匀性导致催化剂磨损,另外还应选择合理的烟气流速以减小磨损,保证SCR系统的安全稳定运行。     

循环流化床脱硫塔气固流动特性CPFD模拟

采用计算颗粒流体力学(computation particle fluid dynamics,CPFD)方法对工业规模的循环流化床脱硫塔内气固两相流场进行三维、全尺寸数值模拟。在计算中充分考虑颗粒–气体、颗粒–颗粒以及颗粒–壁面之间相互作用。通过网格无关性分析和试验验证,证明所建模型及其结果的正确性,对比分析调节前后脱硫塔内部气固流场特征的变化规律。研究结果表明,调整后的气流场分布更加均匀,紊乱度更小,流体回流及返混程度降低,促进脱硫剂颗粒均匀满布塔体,从而有利于脱硫效率提高;壁面磨损率随颗粒速度增大而增大,颗粒径向运动对壁面造成的磨损较为严重;颗粒停留时间随着颗粒粒径增加而增加。根据文中计算条件,综合对比分析发现加装4片直挡板的调节方案其调节效果最佳。     

循环流化床辐射传热模型

循环流化床中,炉膛壁面与床中的传热源自辐射,颗粒相对流和气相对流3部分,有关固体颗粒相传热系数的计算,研究人员主要提出了单颗颗粒模型,颗粒团更新模型和连续膜模型,但关于辐射传热系数的计算则比较简单,在这些模型中,有关辐射传热部分均采用经验或半经验公式,在辐射传热机理上探索尚欠不足,文中根据循环流化床密相区和稀相区的特性,分析其中的传热特点,特别是对循环流化床稀相区部分的颗粒团和对壁面的传热系数计算采用辐射双通量模型进行分析,从传热机理上建立了完整的循环流化床辐射传热模型,有助于了解循环流化床锅炉中的辐射传热机理和规律,模型计算结果与某电厂165MWe循环流化床锅炉相应工况条件下的实际运行数据相比,符合较好。     

基于小波模极大的循环流化床气化炉冷态试验研究

对循环流化床气化试验系统进行冷态试验研究,改变风量、颗粒粒径、组合粒径等操作参数,掌握固体循环速率Gs、空隙率的变化规律,应用小波模极大法对压差波动信号进行分析。结果表明：随着表观风速的提高,Gs逐渐增大。表观风速大于2 m/s时,普通颗粒在提升管底部表现出快速区特征,其压差的模极大值线条数与顶部差不多相等。改变粒径分布范围,细颗粒能够增大Gs的同时,相当份额的粗颗粒在提升管内能表现出底部湍流区、上部快速区的特征,延长了其在床内的停留时间。对应的底部压差波动信号的模极大值线较顶部要多,但随着表观风速的增大,快速区长模极大线位置向后移动。分析结果有助于深入理解增压循环流化床气化的设计、控制和运行。     

循环流化床内烟气脱硫模拟分析

基于气固两相流双流体模型及床内浆滴蒸发和SO2吸收过程的分析，该文发展了循环流化床烟气脱硫过程的双流体，蒸发脱硫模型。采用恢复系数修正颗粒与颗粒团、壁面之间碰撞影响，合理解释固相含率沿径向分布特性；引入颗粒相湍能和湍能耗散率描述颗粒团的脉动过程，分析不同表观气速和颗粒循环量时床内颗粒相轴向速度沿径向变化规律，及颗粒团形成和脉动对浆滴蒸发和脱硫效果的影响。分析指出颗粒团的形成可减小浆滴蒸发速度，增强脱硫效果。     

SCR烟气脱硝催化剂V-W-TiO_2失活预测模型

针对燃煤电厂选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂失活问题,在催化剂失活最主要的3个因素(化学中毒、孔道堵塞、飞灰磨损)基础上构建对应的失活函数。将电厂SCR烟气脱硝系统运行数据带入模型进行拟合,进而建立催化剂失活预测模型,得到模型中多种涉及失活的关键性参数。结果表明:毒性氧化物在催化剂上的沉积速率依次为K_2OCaONa_2OAs_2O_3,堵塞速率与飞灰的浓度及粒径分布有关;磨损系数与烟气流量、流速及飞灰颗粒性质有关;采用失活预测模型能较好预测催化剂实际失活的情况。     

330 MW循环流化床锅炉炉膛壁面颗粒浓度分布测量

循环流化床(CFB)锅炉炉膛内固体颗粒浓度对炉膛水冷壁传热、炉内温度分布和受热面磨损影响较大。在某台亚临界330 MW机组CFB 锅炉炉膛水冷壁上开设测孔,利用颗粒取样抽屉装置对炉膛内的局部颗粒浓度进行测量,研究炉膛近水冷壁区域的颗粒浓度水平分布。结果表明,在距离壁面1m范围内,颗粒浓度随着与壁面距离的增加而减小,相同高度的中心区内颗粒浓度基本保持不变;测孔所在高度越高,颗粒浓度越小;炉膛空截面风速的增加将使炉膛上部测孔的颗粒浓度增加;回归得到近壁面颗粒浓度水平分布关联式,利用关联式计算近壁面颗粒浓度误差小于20％。     

宽粒径分布流化床的微观尺度模拟与分析

采用计算流体力学-离散单元(CFD-DEM)耦合方法对三维宽粒径分布流化床进行数值模拟研究，对比了两种不同表观气速下流化床内颗粒的分离和混合情况，并对计算结果进行了详细分析。在宽粒径分布流化床内，存在不同程度的颗粒分层现象。当表观气速较低，处于最小颗粒的最小流化速度与最大颗粒的最小流化速度之间时，会出现明显的分层，整体上为大颗粒在下、小颗粒在上的分层结构，而当表观气速较高，大于最大颗粒的最小流化速度时，床内不再出现明显的分层现象。最后对两种不同表观气速下床内颗粒的分层和混合的详细运动行为进行了分析和讨论。     

增压富氧条件下碳颗粒燃烧模型

对碳颗粒在增压富氧环境下的燃烧速率进行了理论研究。计算了不同粒径碳粒在常压以及增压富氧条件下的燃烧速率,并和增压空气条件下碳粒的燃烧速率进行了对比。主要考察了压力和粒径对碳粒燃烧速率的影响。介绍了计算结果。     

孔隙分形结构对煤焦燃烧特性影响的数值研究

为了研究煤焦颗粒的分形结构对煤焦燃烧特性的影响,采用随机漫步的算法生成了2组具有相近孔隙率和比表面积,但分形维数不同的颗粒模型。从分子运动论的角度建立分形多孔介质中的扩散模型,用简单碰撞理论(simplecollision theory,SCT)模拟煤焦与氧气的气固反应。在不同温度下对不同煤焦颗粒模型的燃烧进行了数值模拟,由数值计算的结果得到了不同孔隙结构的煤焦颗粒对应的表观动力学参数。结果表明,煤焦颗粒的分形维数对煤焦的表观反应参数有显著影响,分形维数越大,煤焦表观燃烧反应系数越小,呈现指数关系。     

油页岩着火机理的研究

利用德国NETZSCH公司生产的STA40 9型热分析仪 ,对不同粒径的桦甸油页岩颗粒在不同的升温速率条件下进行了燃烧实验和热解实验。通过热解实验与燃烧实验两者TG曲线的对比分析 ,阐明了氧浓度对油页岩颗粒着火的影响 ;并利用TG燃烧曲线分析了粒径和升温速率对油页岩着火的影响。采用德国生产的LEITZⅡA型热显微镜对油页岩颗粒着火的观察分析表明 ,油页岩颗粒的着火方式为均相着火。图 4表 2参 9